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  • 工廠化海水魚類養殖尾水處理相關技術研究及進展


    2023-05-12 13:52:28  釣魚人網作者:  來源:水產養殖網  評論:0  發表評論

    我國是世界上水產養殖產量超過捕撈產量的國家,2018年海水魚類養殖面積為75.12千公頃,同比下降16.45%,養殖面積的下降,一方面與經濟結構的供給側改革有關,另一方面與國家環境保護政策的變化有關。

    到了2018年海水魚類養殖產量為149.51萬噸,同比上漲5.33%,意味著單位面積養殖產量出現了較大提升,即提高了養殖集約化。工廠化養殖是集約化養殖模式的典型代表,其特點是單品種、高密度、裝備化,養殖過程中產生的廢棄物需要經由養殖水及時處理。

    根據養殖尾水處理設施與養殖設施是否存在同一體系中,養殖尾水處理技術可分為原位水處理技術和異位水處理技術。

    海水魚類工廠化養殖尾水原位水處理技術

    原位水處理技術常見于循環式或半循環式海水工廠化養殖體系中,養殖尾水一般經過機械過濾、蛋白分離、生物膜接觸氧化、消毒增氧、調溫等工藝處理后,進行循環或部分循環利用(圖1)。該工藝的關鍵點有以下幾處:①機械過濾的效率及抗腐蝕性;②生物膜處理工藝;③消毒增氧的方式;④調溫的方式。

    1、物理過濾

    物理過濾主要分為機械過濾和泡沫分離兩種。目前常用的養殖尾水機械過濾裝置有微濾機、弧形篩兩種;常用的泡沫分離裝置有氣浮機和蛋白質分離器兩種。

    機械過濾裝置的原理均為養殖尾水在經過裝置濾網后,固體物質被過濾收集起來,而養殖尾水順利通過篩絹或金屬網進入下一個處理裝置。常見的微濾機有轉鼓式、轉盤式、格柵式和履帶式四種,目前海水養殖尾水處理中常用的是轉鼓式和履帶式微濾機。制造成本高、占地面積大、過濾效率低、濾布更換頻繁是困擾微濾機應用的主要問題?;⌒魏Y在使用過程中無機械運動部件,不產生能耗,且安裝操作維護均較為簡單,但弧形篩對材料的剛性和韌度要求較高,整體造價較高。

    過濾效率及抗腐蝕性是機械過濾裝置的核心問題。隨著機械過濾的進行,過濾裝置表面的微孔會被水體中的固形物堵塞,嚴重影響過濾效率。反沖洗是過濾網再生的重要環節,反沖洗效果的好壞對過濾系統有極大影響。反沖洗的工作原理是:使用反沖洗泵抽取過濾后的水或者新源水,通過噴頭噴射水柱對濾網進行由外往內的沖洗,從而清除堆積在濾網表面的固體懸浮物[2]。由于機械過濾裝置長期在海水中工作,因此其抗腐蝕性尤為重要,其金屬組成部件一般均需采用316L不銹鋼制作。

    泡沫分離裝置的原理是通過在水中產生大量的微細氣泡,使空氣以高度分散的微小氣泡的形式附著在懸浮物顆粒上,造成密度小于水的狀態,利用浮力原理使其浮在水面,從而實現固-液分離。目前氣浮機及蛋白分離器裝置已非常成熟,并廣泛應用在海水養殖中,其關鍵點是微細氣泡的產生及射流距離。

    2、生物接觸氧化處理

    生物接觸氧化處理是原位水處理工藝的核心,其主要目的是通過生物接觸氧化法降低水體中氨元素,提高養殖水的重復利用率。生物接觸氧化處理工藝主要由微生物附著基和微生物組成。微生物附著基的來源和形狀多種多樣,如無機材料、有機材料、粒狀、環狀、球狀、線狀等。目前常見的微生物附著基有沸石、麥飯石、活性炭、纖維球、纖毛刷、陶瓷環、高分子材料等,這些材料均具有合適的比表面積,既能為硝化細菌和反硝化細菌提供充足的附著場所,又不易被堵塞:微生物附著基還要具有較高的機械強度,能夠抵抗水流的沖擊;此外,微生物附著基的形狀和空隙不能阻礙水的流動。

    生物接觸氧化法的核心是微生物的掛膜,完全成熟的生物膜由硝化細菌、反硝化細菌、微藻、凈化細菌和一些原生生物組成,且以硝化細菌和反硝化細菌為主。硝化細菌又分為亞硝酸菌(氨氧化劑)和硝酸菌(亞硝酸氧化菌),前者負責將NH,氧化為亞硝酸,后者將亞硝酸氧化成硝酸氮:反硝化細菌負責將硝酸氮轉化為氮氣。

    由上述反應式可見,硝化和反硝化反應的適宜條件是不一樣的,硝化過程需要有氧環境,反硝化過程需要厭氧和偏堿性環境。實驗條件下,硝化反應過程中,水體中的溶氧下降的很快,如不及時充氣,硝化反應將會停止。因此在實際生產中,水處理的生物濾池硝化部分需要充氣。反硝化細菌需要厭氧和偏堿性環境,而在實際生產中,厭氧條件較容易滿足,而水體的酸堿度調節較為復雜。

    此外,由于硝化細菌屬于自養型細菌,而反硝化細菌屬于異養型細菌,故反硝化細菌比硝化細菌更為脆弱,不易培養,但工作效率更高。理想的生物濾池可分為兩個獨立的部分,前一部分為硝化部分,保證充足供氧,同時也可以通過吊養大型藻類,降低水體中磷酸鹽、增加溶氧;后一部分為反硝化部分,要求保持厭氧環境,同時能夠方便的調整酸堿度。

    影響生物接觸氧化法對養殖尾水處理效果的因素主要有菌水接觸時間、菌種純度與密度、溫度、酸堿度、溶氧、鹽度、附著基的物理性狀等。一般來說,生物膜處理養殖尾水要求保證尾水與生物膜的接觸超過一定時間,使菌水有充足的反應時間。故在建設生物反應池時,需要考慮尾水的流經速度、時間。其次,微生物菌種的純度、密度與養殖尾水的處理效果密切相關。

    在適宜的溫度下,保證充足的溶氧及氨氮和亞硝酸氮含量,有助于硝化細菌的生長,并保持優勢菌種的地位;而在厭氧環境下,適當調節水體酸堿度,有助于反硝化細菌的生長,并保持優勢菌種的地位;細菌的密度與微生物附著基的物理性狀有關,附著基的比表面積大,可以為微生物提供更多的繁衍場所,有利于提高微生物的密度。此外,附著基的物理性狀還與生物濾池的體積密切相關,物理性狀好(比表面積大)的附著基可以降低生物濾池的體積。

    目前常用于養殖尾水處理的微生物多來自池塘、城市污水、工業廢水等,其工作時的最佳環境因子(如溫度、溶氧、酸堿度、底物種類與濃度)并不一致。海水養殖尾水的水體一般較大,且為了提高海水的循環利用率,海水的溫度、酸堿度和鹽度需要保持相對穩定,而這些環境因子是影響微生物工作效率的關鍵因素。在海水工廠化養殖中,生物濾池中的微生物主要以定向條件下的自然繁殖為主。

    一般的工藝流程為:在已經構建好的生物濾池中,加入適量的NHC1和NaNOg,充氣,定向培養,一定時間后,通過檢測水體中NH,和NO,濃度的變化,判斷生物濾池是否熟化完全。由于微生物生長存在指數增長期、平臺期、老化期,故水體中NH和NO;濃度變化會出現相應的規律,這種工藝一般耗時較長。針對這一問題,研究者從微生物的定向篩選方面入手,篩選出了異養硝化細菌,好氧反硝化細菌,采用固定化硝化細菌、建立同步短程硝化反硝化等方式,縮短生物濾池熟化時間,提高生物濾池處理效率。

    3、消毒、增氧及調溫

    水產養殖中常用的消毒方法分為物理消毒(紫外光)和化學消毒(二氧化氯、臭氧),海水工廠化養殖中常用的是物理消毒法,即紫外殺毒法和臭氧殺毒法,關于這兩種方法的研究報道已經較多,在此不再贅述,這兩種技術的關鍵點是要控制好殺毒的時間和距離。

    集約化養殖過程中,養殖密度較大,水體中溶氧消耗很快,因此需要及時向水體中增加氧氣。通常是利用空氣壓縮機通過管道將空氣輸送至養殖水體中,養殖水體中溶氧的含量要保持在6mg/L以上。有研究表明,隨著養殖水體中溶氧含量的增加,養殖生物的生長速度加快,而水體水質指標更穩定,且能緩解養殖密度帶來的脅迫。因此,純氧充氣已成為高密度循環水養殖必不可少的裝備之一。

    研究表明,水體溫度直接影響養殖魚類的存活、生長和攝食,工廠化養殖的優點是能維持養殖環境的相對穩定,其中維持養殖水體的溫度是整個養殖過程中能耗最大部分,也是限制海水工廠化養殖規模發展的主要瓶頸問題。由于國家環保政策的改變,燃煤調溫被逐漸取締,電能、地熱、空氣熱逐漸成為海水工廠化養殖的主要調溫手段。

    冷水機組常被用來降低養殖水的溫度,而熱泵機組常被用來提高養殖水的溫度,前者主要依賴的是電能,而后者的能源有地熱、空氣熱等多種形式。隨著技術的進步,毛細管換熱器、溫室調溫、太陽能調溫等技術發展日趨成熟,為海水工廠化養殖的快速發展提供基礎。

    工廠化養殖海水魚類尾水異位水處理
    海水魚類工廠化養殖尾水異位處理的設計理念是針對原位水處理設備集成度高、造價高、能耗高問題,將尾水引出養殖系統,利用各種方法處理養殖尾水后循環使用,其特點是占地面積大、營養素利用充分、系統穩定、維護方便。按照處理養殖尾水的方法,可分為物理處理法、化學處理法、生物處理法,按照處理的形式,可分為生物浮床法、人工濕地法、生物絮團法、藻類藕聯法等。下面按照養殖尾水的處理形式對其一一介紹。

    1、生物浮床

    生物浮床法目前多見于淡水池塘養殖水處理中,其原理是在池塘養殖水上部建立浮床,上面栽種空心菜、水雍菜等挺水性或漂浮性水生植物,利用水生植物的生長吸附水體中氮磷等營養素。魚菜共生模式是生物浮床法的具體體現。海水池塘中常用的浮床植物有海馬齒、堿蓬、海蓬子和堿菀。海水養殖生物浮床對水生植物的要求是根系發達、耐鹽堿、溫度耐受度高,一般選擇海水養殖當地土著植物為宜。

    2、人工濕地

    人工濕地處理養殖尾水的原理是利用“土壤-植物-微生物”三者構成的生態系統,通過物理和生物的方法去除水體中的懸浮物、氮磷元素。目前研究最多的、應用最為成熟的處理養殖尾水的人工濕地是紅樹林人工濕地。紅樹林被稱為海洋“清道夫”,具有“抗污”和“降污”的功能。但紅樹林生長于熱點、亞熱帶,不適應于北方海水工廠化養殖尾水的處理。張海耿等利用蘆葦、細沙、蛭石等構建了人工濕地處理海水工廠化養殖尾水,得到了較好的處理效果。

    3、生物絮團

    生物絮團是通過人為調節水體中的C/N,提高水體中異養微生物的活性和數量,將水體中的氨氮轉化為菌體蛋白,形成的絮團狀物質。這些絮團狀物質可被養殖動物攝食,從而降低水體中的氮元素。研究表明:生物絮團可以有效控制水質,增加水體微生物的代謝活性,影響水體微生物代謝功能但生物絮團除了培養時要額外添加碳源外,對維護的技術要求也相對較高。

    4、藻類藕聯
    藻類是海水中的土著植物,適應力強、生長速度快,是處理養殖尾水的最佳生物。研究表明大藻、微藻均能快速處理尾水中的無機氮和活性磷酸鹽。目前常用的方法有菌藻藕聯處理法、蝦-貝-藻藕聯處理法、及魚-貝-藻-參藕聯處理法等。該方法的優點是能充分利用養殖尾水中的營養素,但缺點也十分明顯,即藕聯的生物種類越多,各生物容量和最適生長環境越難調和,系統越脆弱。上面介紹的幾種養殖尾水的異位處理方法,比較適合對養殖尾水進行二級處理,一級處理(養殖尾水中固體懸浮物的去除)需提前進行。一級處理過濾出的主要為殘餌和糞便等固形物,這些固形物中氮元素含量較高,但由于鹽度較高,較難重復利用,目前已在研究將其開發為刺參配合飼料原料,或者利用特種蚯蚓將其轉化為生物有機肥料。

    展望

    工廠化使水產養殖實現了從農業向工業的轉變,尾水處理是工廠化養殖的核心問題,其技術的發展與材料學、生物學等學科的發展密切相關。小型化、高效化、集成化、通用化、低能耗化和營養素的充分利用是養殖尾水處理技術發展的方向,且要求尾水處理系統穩定化程度高、易操作維護。

    隨著國家社會和產業的發展,水產養殖尾水的無害化處理和循環利用是必然的趨勢,也是維持養殖業健康可持續發展的關鍵,循環式工廠化養殖的發展前景廣闊。

    (原標題:工廠化海水魚類養殖尾水處理相關技術研究及進展)

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